Lente zoom 12.5X para la inspección de discos codificadores ópticos

Un codificador incremental de 512 P/R lleva dos pistas de 512 líneas cada una más una ventana de referencia cero, y una sola línea que falte o esté puenteada se convierte en un pulso perdido o en un error de fase en la salida. Esta nota registra una inspección de banco de un disco de sustrato metálico con una lente zoom continua POMEAS de 12.5X, corrige una cifra de campo de visión que no sobrevive al contacto con la cámara real y distingue lo que las imágenes demuestran de lo que no demuestran.

Resumen del proyecto

La pieza es un disco codificador óptico de sustrato metálico, marcado 512 P/R, del tipo que se sitúa entre un LED y una matriz de fotodetectores dentro de un codificador rotativo y convierte la posición angular en señales A, B y Z. Los usuarios finales son fabricantes de motores servo, fabricantes de articulaciones y reductores de robot, proveedores de codificadores para platos de accionamiento directo y máquinas-herramienta, y fabricantes de sensores de ángulo de dirección o de mariposa para automoción.

La inspección es un control cosmético y de continuidad previo al envío de la retícula tras la litografía o el grabado: líneas rotas, líneas que faltan, líneas puenteadas, rebabas en los bordes, residuos de grabado, contaminación superficial y rayaduras. No es una prueba eléctrica ni una calibración. Todo lo que sigue debe leerse con ese límite en mente.

El desafío de la inspección

El disco de la Figura 1 contiene varios miles de elementos de línea en un puñado de pistas concéntricas, con líneas individuales de unas decenas de micrómetros de ancho. A esa escala el ojo humano y una lupa quedan fuera de su elemento, y un microscopio de aumento fijo repite el problema descrito en la mayoría de los trabajos de inspección de líneas finas: a aumento bajo una rotura es invisible, a aumento alto no se encuentra el lugar donde mirar.

El segundo problema es más silencioso: los defectos que más importan apenas cambian la imagen. Un par de líneas puenteadas se diferencia de un par bueno por un hueco oscuro, y una rebaba cambia un borde unas pocas micras. Que uno u otro aparezca depende menos del aumento que de cómo incide la luz en el borde, y por eso la iluminación acompaña a la óptica en este caso.

Figura 1 — La pieza: un disco codificador metálico de 512 P/R. Las pistas concéntricas son los canales A y B; la marca grabada 512 P/R y el número de pieza se encuentran en el espacio entre las pistas y el cubo. Fotografía tal como se recibió, polvo incluido.

Configuración óptica

Dos entradas necesitan una nota. El BOM registra la lente como 63010 + 12101D, que es una codificación interna de POMEAS y no un modelo de venta; las cifras ópticas registradas con ella — 0.58X–7.5X y 77 ± 2 mm — coinciden con la serie LZL-12100, y 12101D es el código del subconjunto coaxial de esa familia. Como la iluminación registrada es una luz anular y en la fotografía del banco no hay ningún puerto coaxial cableado, este artículo trata la lente como un zoom manual de la serie LZL-12100 y no afirma que estuviera instalada la variante coaxial. La página de la LZL-12101 es la variante coaxial correspondiente, útil si la misma estación tiene que mirar más adelante dentro de una cavidad.

La segunda nota es la cámara. El modelo es una cámara de medición HDMI de terceros, no un producto POMEAS, y su hoja de datos no está en el expediente del proyecto. Todo lo que sigue y depende de la geometría del sensor se calcula por tanto dos veces, a partir de dos áreas activas plausibles, y se marca como derivado.

Campo de visión: corrigiendo la cifra de 18.33 mm

El expediente del proyecto indica un campo de 18.33 mm a 0.58X. Ese número es real, pero pertenece a otro sensor. Dividiendo una diagonal de 2/3″ de 11.0 mm entre 0.58 se obtienen 18.97 mm; dividiéndola entre 0.6 se obtienen 18.33 mm. En otras palabras, 18.33 mm es la cifra de 2/3″ a 0.60X, arrastrada a un registro cuya cámara es de 1/2″. En la cámara real la misma lente da un campo menor:

La diferencia no es académica. Con 18.33 mm un disco de aproximadamente ese diámetro cabe en un solo fotograma en el extremo bajo; con 13.8 a 14.2 mm puede que no, y la estación tiene entonces que recorrer el disco por índices, usando el aumento bajo para navegar en lugar de para una vista de conjunto en una sola toma. Ambas filas calculadas son de grado C: son aritmética correcta sobre tamaños de sensor supuestos, y el área activa debe leerse de la hoja de datos de la cámara antes de escribir cualquier campo en una especificación.

Figura 2 — Esquema, no una fotografía. Campo diagonal a 0.58X para tres formatos de sensor, mostrando por qué la cifra publicada de 18.33 mm no se traslada a una cámara de 1/2 de pulgada.

Iluminación: luz anular, retroiluminación y qué usan realmente las imágenes

El BOM enumera una luz anular. La fotografía del banco muestra también una base iluminada bajo la placa de vidrio, y el texto del proyecto menciona una retroiluminación transmitida. No son la misma afirmación: una luz visible en una fotografía no forma necesariamente parte de la configuración entregada, por lo que la retroiluminación se registra aquí como no confirmada.

Esa distinción importa porque las dos luces responden a preguntas distintas. Una luz anular trabaja en reflexión: deposita energía sobre el espacio metálico y sobre los bordes de las líneas, y el contraste de las imágenes de abajo procede de esa luz reflejada. Una retroiluminación transmitida trabaja a través de la pieza: produce ventanas brillantes allí donde el sustrato es transparente y oscuras donde el material lo bloquea, que es la manera natural de encontrar una línea rota en una escala de vidrio o de película. En un disco metálico opaco no hay nada que transmitir, así que una retroiluminación aporta poco al contraste de las líneas y ayuda sobre todo a localizar bordes y a ver a través del taladro central.

Si una estación debe manejar tanto discos metálicos como de vidrio, la luz debe ser conmutable y la receta debe registrar qué luz produjo cada resultado. Un defecto visible bajo una iluminación y no bajo la otra es un resultado normal, no una contradicción.

Secuencia de inspección

Navegar. Comenzar a 0.58X, confirmar la disposición de las pistas, contarlas y leer la marca 512 P/R para asegurarse de que la pieza correcta está sobre la platina. Si el disco no cabe en el campo, recorrerlo por índices y anotar las posiciones angulares cubiertas.

Zoom. Pasar al aumento de trabajo. La profundidad de campo cae rápido: 2.75 mm a 0.58X se convierten en 0.27 mm a 2X y 0.05 mm a 7.5X, así que el enfoque se fija una vez por zona a aumento alto y no se toca la platina entre fotogramas.

Escanear y registrar. Trabajar radialmente a lo largo de una pista, luego la siguiente, y archivar cada fotograma con su posición. Un defecto sin posición no es accionable para el ingeniero que tiene que arreglar la máquina de grabado.

Lo que muestran las imágenes

La Figura 3 cubre tres pistas concéntricas más la marca grabada en una sola vista, que es el fotograma de navegación. La Figura 4 es el mismo disco a gran aumento, donde se resuelven las líneas individuales, sus bordes y el espacio metálico entre pistas.

Figura 3 — Vista a aumento bajo. Tres pistas concéntricas y la marca 512 P/R grabada están en un solo fotograma; las motas brillantes dispersas son partículas sueltas sobre la superficie metálica, no defectos de la retícula.

Figura 4 — Vista a gran aumento de dos pistas. Los bordes de las líneas están limpios y son continuos en este campo; los artefactos visibles son partículas posadas sobre el espacio entre pistas. No se registró ninguna línea rota ni puenteada en este fotograma, y no se afirma ninguna.

Límites de ingeniería y lo que no se verificó

Las imágenes demuestran calidad de imagen, no rendimiento de detección. No hay constancia de una inspección al 100 por ciento de las 512 líneas de cada pista, ni de una biblioteca de defectos con verdad terreno conocida, ni de un estudio de repetibilidad. Un fotograma que resuelve una línea de 30 µm y una irregularidad de borde de 3 µm es una condición previa para la detección fiable, no una prueba de ella. Demostrar el rendimiento de detección requiere defectos sembrados y una medición de la tasa de escape.

3.05 µm es una especificación de la lente, no una capacidad de inspección. Describe el detalle más fino que la lente puede transferir en el plano objeto en condiciones nominales. El defecto más pequeño que una estación puede declarar con fiabilidad lo fijan el contraste, la iluminación, el muestreo de píxeles al aumento elegido y la regla de decisión. Normalmente es varias veces más grueso que la cifra de la lente, y debe medirse sobre piezas reales.

La inspección visual no es una prueba eléctrica. Un disco puede verse perfecto y aun así fallar por error de fase, ciclo de trabajo o amplitud de señal; un disco con una línea marginal puede pasar ambas. Nada de lo aquí expuesto mide la señal A/B, la relación de fase o el error de interpolación, y el artículo no hace ninguna afirmación sobre la exactitud del codificador.

Muestreo a aumento bajo. Con una cámara de 2 MP y 1/2″, un píxel cubre unos 6.5 µm del objeto a 0.58X y unos 0.5 µm a 7.5X, frente a una resolución de lente de 3.05 µm. En el extremo bajo la cámara es el término limitante, en el extremo alto lo es la lente; esta es la razón práctica de que el aumento bajo se use para navegar y el alto para juzgar.

Distorsión. El expediente del proyecto cita una distorsión TV de 0.05 por ciento o mejor. La página actual del producto de la familia indica una distorsión TV mínima de 0.001 por ciento, y las dos cifras no concilian. La distorsión debe tomarse de la revisión de la hoja de datos que se entrega con la lente, y medirse si se prevé trabajo dimensional.

Figura 5 — Montaje de banco. Soporte vertical con mando de enfoque y ajuste XY, luz anular en la lente, disco sobre una placa de vidrio sobre una base iluminada. La retroiluminación visible aquí no está detallada en el BOM.

Dónde encaja esta configuración

Cualquier pieza de líneas finas que haya que buscar sobre una gran área y juzgar a gran aumento es candidata: discos de codificador y de escala, escalas lineales de vidrio, retículas y máscaras, mallas grabadas, patrones de resistencias de película fina y matrices de pistas de circuito flexible. El mismo rango sirve para el retrabajo y la inspección de entrada, donde el operario tiene que encontrar primero un defecto y caracterizarlo después.

Preguntas que este caso suele plantear

¿Qué campo de visión da una lente de 12.5X en una cámara de 1/2 de pulgada?

Aproximadamente 11.0 x 8.3 mm a 0.58X y 0.85 x 0.64 mm a 7.5X, suponiendo un área activa nominal de 6.4 x 4.8 mm. Si la cámara es un sensor de 1920 x 1080 con píxeles de 3.75 um, el campo en el extremo bajo pasa a 12.4 x 7.0 mm. La cifra de 18.33 mm que circula para esta lente es un valor de 2/3 de pulgada a 0.6X y no se aplica a una cámara de 1/2 de pulgada.

¿Es 3.05 um el defecto más pequeño que esta lente puede detectar?

No. 3.05 um es la resolución óptica publicada en el plano objeto, no una capacidad de inspección. Lo que una estación detecta con fiabilidad depende del contraste, la iluminación, el muestreo de píxeles y la regla de decisión, y normalmente es varias veces más grueso. Hay que establecerlo sobre piezas reales con defectos sembrados en lugar de leerlo de una hoja de datos.

¿Luz anular o retroiluminación para la inspección de discos codificadores?

Luz anular para los defectos superficiales en un disco metálico opaco, donde los bordes de línea, las rebabas, los puentes y la contaminación se ven en reflexión. Retroiluminación para las escalas transparentes o de película, donde una línea rota aparece como un cambio en la luz transmitida. Si está previsto ambos tipos de pieza, la estación necesita las dos luces y la receta de inspección debe registrar cuál se usó para cada resultado.

¿Puede esta estación de inspección sustituir a la prueba eléctrica del codificador?

No. Comprueba la retícula, que es solo una de las causas de fallo. El error de fase, el ciclo de trabajo, la amplitud de señal y la exactitud de interpolación son propiedades eléctricas que se miden con el disco girando dentro de un codificador. La inspección óptica y la prueba eléctrica son complementarias, y este caso no hace ninguna afirmación sobre el rendimiento de señal del codificador.

¿Por qué no usar un microscopio de aumento fijo para un disco de 512 P/R?

Porque el área que hay que recorrer es grande y el defecto es pequeño. Un aumento fijo bajo no puede resolver una rotura y un aumento fijo alto no puede encontrarla. Un zoom de 12.5:1 mantiene un soporte y una distancia de trabajo mientras cubre tanto la vista de navegación como la de juicio, y eso es lo que hace práctica la inspección de banco de un disco completo.

Solicite una solución de inspección similar

Envíe el diámetro exterior del disco o de la escala, el ancho y el paso de línea, el defecto más pequeño que deba detectar, el modelo de cámara y el tamaño de sensor, la distancia de trabajo disponible y si la pieza es opaca o transparente. Responderemos con un rango de aumentos, una tabla de campos y una propuesta de iluminación en lugar de un solo número de pieza. Contacte con POMEAS, o parta de la lente zoom continua LZL-12100 de 12.5X y la comparación de modelos 12.5X. Para el paso anterior a este, elegir entre familias de zoom, la guía de 6.5X frente a 12.5X aborda las ventajas y desventajas.

Caso de estudio relacionado: una lente zoom 14X usada dentro de una celda de decapsulación láser, donde el eje óptico debe inclinarse y la profundidad de campo se convierte en el factor limitante.